RETOUR AU SOMMAIRE
Retour au sommaire de la biologie amusante

  LA COULEUR DE LA RESPIRATION


Les végétaux chlorophylliens sont des autotrophes, c'est à dire qu'ils sont capables de fabriquer leur propre matière organique à partir d'éléments minéraux prélevés dans l'air et dans l'eau. La source d'énergie primaire qui entretient le fonctionnement de leurs cellules et, en conséquence, l'ensemble de la biosphère, est l'énergie lumineuse. En effet, les cellules composant les êtres vivants ne peuvent se maintenir en vie qu'à la condition d'effectuer un travail : travail de synthèse de leurs propres constituants, travail pour absorber certaines substances, travail pour se déplacer etc. Or, les êtres vivants n'échappent pas aux lois physicochimiques (dura lex, sed lex...) : tout travail se réalise moyennant une dépense d'énergie.

Cependant, les animaux ne sont pas équipés pour utiliser l'énergie lumineuse. Ils utilisent l'énergie chimique contenue dans les aliments dont ils se nourrissent et sont donc qualifiés d'hétérotrophes. Mais comment réussissent-ils à extraire et à utiliser l'énergie chimique potentielle des aliments ? Les grands scientifiques du XVIIIème siècle comme Priestley et Lavoisier avaient montré que les animaux consomment l'oxygène de l'air et rejettent du gaz carbonique tandis que l'azote (plus de 78 % de l'air) ne participe pas à ce phénomène. Ces observations avaient permis à Lavoisier de considérer la respiration comme une oxydation, par analogie avec la combustion, et de suggérer qu'elle produit de la chaleur à partir de l'oxydation du carbone et de l'hydrogène contenus dans les aliments. Ces idées nouvelles constituaient, de plus, une révolution dans les méthodes de pensée dans la mesure où des mécanismes biologiques étaient interprétés en termes physicochimiques à une époque de vitalisme effréné. Nous savons que Lavoisier avait raison même s'il se trompait sur la localisation de la respiration qu'il plaçait dans les poumons. Toutefois, ses idées et celles de ses successeurs, comme son élève Seguin, ne furent pas acceptées d'emblée par la communauté scientifique.

Ainsi, Auguste Comte, éminente figure du scientisme triomphant au XIXème siècle, prétendait-il encore dans les années 1850 que la respiration, loin de produire de la chaleur comme une combustion, servait au contraire à refroidir l'organisme. On peut le comprendre car un obstacle conceptuel majeur se dressait alors : une combustion s'effectue à haute température avec incandescence alors que la température des organismes dépasse rarement 40°C. Le mystère s'épaissit encore lorsque Paul Bert (1833-1886), préparateur puis successeur du grand Claude Bernard, montra en 1870 que tous les tissus vivants consomment de l'oxygène et rejettent du gaz carbonique, pas seulement les poumons, et qu'ils le font avec des intensités différentes.

Prés de 100 ans après les travaux de Lavoisier, Marcelin Berthelot (1827-1907), un des pères de la thermodynamique chimique, mesura l'énergie contenue dans les aliments ingérés et dans les substances excrétées et put ainsi calculer l'énergie libérée dans l'organisme par leur oxydation. Celle-ci s'avérant similaire à la chaleur libérée par leur combustion, il fallut bien admettre que les cellules vivantes étaient capables de mobiliser l'énergie chimique contenue dans les aliments. Toutefois, puisqu'il ne pouvait s'agir d'une véritable combustion, diverses hypothèses furent formulées suggérant une oxydation lente, par étapes, sans qu'aucune preuve expérimentale fut apportée. Les premières lueurs dans la résolution de ce problème sont dues à F.Schardinger, un biochimiste autrichien. En 1902, il montre qu'un colorant comme le bleu de méthylène est capable de fixer de l'hydrogène au cours de la respiration des tissus ce qui prouve qu'il y a bien oxydation par départ d'hydrogène. Ainsi, au début du siècle, la respiration est comprise comme une suite de réactions chimiques au cours desquelles les substances organiques issues de la digestion perdent progressivement leur carbone et leur hydrogène en libérant de l'énergie.

Comme entre-temps on avait découvert l'existence des enzymes et leur rôle universel de catalyseurs des réactions biochimiques, restait encore à caractériser les enzymes capables d'effectuer de telles réactions chimiques et à les localiser au sein des cellules. Otto Warburg (1883-1970) que l'on peut considérer comme le père de la chimie du métabolisme, c'est à dire la chimie du fonctionnement des cellules, mit au point divers microrespiromètres destinés à étudier les capacités respiratoires de tissus ou de cellules isolés. A l'aide de ces dispositifs, il découvrit de nombreuses enzymes participant aux réactions respiratoires des cellules et obtint le prix Nobel en 1931. Il montra, en particulier, qu'au cours des réactions chimiques de la respiration, du pouvoir réducteur, (sous forme de protons H+ et d'électrons, donc correspondant à de l'hydrogène [H+ + e- ----> H]) est arraché aux molécules organiques (dont la composition est de type CnH2nOn) et pris en charge par des molécules spécialisées que l'on peut qualifier de transporteurs de pouvoir réducteur.

Les travaux de Harden et Young avaient démontré dès le début du siècle, que les fermentations commencent par la dégradation d'un sucre à 6 carbones en 2 molécules à 3 carbones. Ce processus au cours duquel de l'ATP est formé et des transporteurs sont réduits par fixation de pouvoir réducteur est appelé glycolyse. Sa découverte valut le prix Nobel de chimie à A.Harden en 1929. Un élève britannique de Warburg, Hans Krebs (1900-1981) ainsi qu'un chercheur américain, F.Lipman (1899-1986) complétèrent ces résultat en mettant en évidence les réactions chimiques au cours desquelles les molécules issues de la glycolyse sont totalement dégradées en gaz carbonique et en pouvoir réducteur. Ainsi, les fermentations et la respiration commencent par les mêmes réactions chimiques. Les étapes suivantes de la découverte des mécanismes de la respiration cellulaire mobilisèrent trop de chercheurs depuis 50 ans pour que l'on puisse les citer tous et, à vrai dire, elles ne sont pas terminées. On a néanmoins démontré les principes essentiels : les électrons arrachés aux substrats organiques sont pris en charge dans des organites cellulaires spécialisés, les mitochondries, de telle sorte qu'ils circulent le long d'une chaîne de transporteurs chimiques. Cette circulation libère de l'énergie comme en libèrent, sous une autre forme, les électrons qui circulent dans un fil électrique. Cette énergie est utilisée pour fabriquer de l'ATP, molécule universelle des échanges énergétiques. Les électrons finissent par aboutir aux molécules d'oxygène qui constitue l'accepteur final des électrons. Ils s'y combinent également avec les protons H+ arrachés aux substrats ce qui permet d'évacuer le pouvoir réducteur sous forme de molécules d'eau (2H+ + 2e- + 0.5 O2 ---------> H2O). Ainsi, l'énergie emmagasinée par la respiration sous forme d'ATP résulte de réactions d'oxydoréduction subies par les molécules organiques.

Les cellules vivantes savent donc exploiter les propriétés les plus intimes de la matière et, notamment, l'énergie potentielle que représente le pouvoir réducteur au sein des molécules organiques.



EXPERIENCE

METTONS EN EVIDENCE LES OXYDOREDUCTIONS RESPIRATOIRES

Matériel

Un navet, deux petits flacons, du bleu de méthylène (s'adresser à son pharmacien).

Comment procéder ?

Eplucher le navet et découper une tranche d'environ 5 mm d'épaisseur. Découper la tranche en petits cubes et les répartir en deux lots égaux. Plonger un des deux lots dans l'eau bouillante pendant 5 minutes pour tuer les cellules et conserver l'autre intact. Placer chaque lot de cubes dans un tube et le remplir avec de l'eau. Ajouter dans chaque lot du bleu de méthylène pour obtenir une coloration bleu clair. Commencer par une goutte puis agiter. Plus la couleur sera claire et plus vite l'expérience se déroulera. Il faut donc éviter de mettre trop de colorant.

Au bout d'environ une heure, le tube contenant le navet vivant se décolore ce qui n'est pas le cas du tube contenant le navet tué. La même expérience est possible avec des cellules animales en remplaçant les cubes de navet par le corps d'une moule ou d'une huître vivante extrait de sa coquille.

NAVET MORTNAVET VIVANT

Explications

Le bleu de méthylène présente un double intérêt : d'une part, à faible concentration il n'est pas toxique pour les cellules vivantes et, d'autre part, c'est un indicateur d'oxydoréduction. A l'état oxydé il est bleu tandis qu'à l'état réduit il est incolore. Quand les cellules sont vivantes, elles dégradent leurs réserves et elles arrachent donc aux substrats du pouvoir réducteur pris en charge par les transporteurs. Une partie de ces transporteurs cède le pouvoir réducteur qu'ils transportent, sous forme de protons et d'électrons (donc d'hydrogène), au bleu de méthylène baignant les cellules. Le colorant se retrouve alors réduit et se décolore. Ce processus ne se déroule pas dans les cellules mortes et le liquide qui les environne reste bleu, le colorant restant à l'état oxydé.


Amusez-vous bien !

RETOUR AU SOMMAIRE

TOUS DROITS RESERVES
© 1996-2000 D. Pol
dpol#noos.fr
Emplacements des visiteurs de cette page

N'hésitez pas à faire connaître vos impressions, commentaires, suggestions etc